浙理工刘爱萍教授团队《ACS Nano》： 具有径向分级多孔结构的气凝胶用作水的高效传输和蒸发

【成果简介】

自然界中的动植物经过亿万年优胜劣汰、适者生存的发展、演变和进化，形成了独特的结构和功能，不仅适应了自然，而且实现了结构和功能的统一，这为我们解决所面临的科学、技术问题提供了源源不断的灵感。例如，树木的水循环系统为光合作用和蒸腾作用提供了有效的水供给和太阳能热管理，被认为是一种解决全球水资源短缺问题的有效策略。

近日，浙江理工大学许为中博士研究生、邢赟硕士研究生（共同一作）、刘爱萍教授（共同通讯作者）和浙江大学的柏浩教授（共同通讯作者）等在《ACS Nano》上发表了题为“Efficient water transport and solar steam generation via radially, hierarchically structured Aerogels”的研究论文。该团队在落羽杉以及针叶树管胞结构的启发下，采用径向冰模板法和低温原位自由基聚合技术，构造了一种径向分级多孔结构的气凝胶，实现了具有毫米级别的径向发散通道、微米级别的褶皱、多孔分子网络，并利用碳纳米管（CNT）作为太阳光吸收层，实现了纯水、海水、污水、地下水等多种水的长距离传输（190min内超过28cm）和高效蒸发收集（水蒸发速率约2.0 kg/m²/h，能量效率达到85.7%）。这种有效的水传输和蒸发设计，为实现水的净化、再生和脱盐提供了潜在的解决策略。

【图文导读】

图1. 落羽杉和双层径向分级多孔结构的气凝胶。

（a）落羽杉照片；（b）落羽杉横截面SEM图；（c）落羽杉纵截面SEM图；（d-g）水在径向分级多孔结构的气凝胶中的运动，包括液态水和气态水。

图2. 双层气凝胶的制备过程和形貌。

（a）双层径向分级多孔结构的气凝胶的制备流程，包括：径向冷冻-低温辐射交联-冷冻干燥-上表面负载CNT；（b-d）不同放大倍数下的径向分级多孔结构气凝胶的SEM图，包括：毫米级别的径向发散通道、微米级别的褶皱和孔壁，纳米级别的分子网络；（e）CNT的微观结构SEM图；（f-k）不同形式的气凝胶实物图，包括：树枝状和超长气凝胶。

图3. 气凝胶的水传输性能。

（a-c）三种气凝胶不同时间节点的输水行为；（d）单根长气凝胶在不同时间节点的输水行为；（e）三种气凝胶输水距离-时间关系；（f）三种气凝胶输水速率-时间关系图；（g）长距离输水距离-速率-时间关系图。

图4. 气凝胶对不同类型水的传输。

（a-c）不同类型水在不同时间节点下的传输行为，包括海水、地下水和模拟树枝的水传输；（d-f）不同类型水的传输距离-速率-时间的定量关系图。

图5. 太阳能蒸发器应用。

（a）太阳能蒸发收集器的示意图；（b）一个太阳光（1Kw/m²）照射下温度随时间的变化，插图为红外热成像照片；（c）一个太阳辐射下质量蒸发损失；（d）蒸发速率和能量效率关系；（e）本文数据与文献对比。

【小结】

该径向分级多孔结构气凝胶利用丰富的毛细通道为水的传输提供了足够的毛细驱动力。此外，光热转换材料碳纳米管的引入，为水的蒸发提供了足够的能量。这种有效的水传输和蒸发系统有望为微流控、水的传输和收集、能源管理、水污染治理等领域提供灵感。

该项研究受到国家自然科学基金（Nos.51572242和21674098）和浙江省杰出青年基金（No.LR19E020004）的资助。

文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b02331

本文由浙江理工大学刘爱萍教授团队供稿。

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